基于OSG的虚拟场景中包围盒碰撞检测的研究

碰撞检测是虚拟场景的核心技术,其效果的好坏直接影响整个虚拟场景的真实感。基于OSG（OpenSceneGraph）三维场景渲染引擎和Multigen Creator三维可视化仿真建模软件,采用包围盒碰撞检测算法,实现了多个静态物体与动态物体的碰撞检测,通过使用射线检测算法可以很好地解决静态物体与地面以及动态物体与地面的碰撞检测。为了满足实时性的要求,提出了多个静态物体与动态物体的碰撞检测优化算法的数学模型。结果表明,算法具有很好的有效性和快速性,能够满足要求。     

虚拟现实技术中碰撞检测算法研究

碰撞检测是虚拟现实技术、机器人技术与动画仿真技术等领域中一个关键的环节,其基本任务是确定两个或多个物体彼此之间是否发生接触或穿透。本文阐述了碰撞检测的一般结构、常见的几种分类标准。重点介绍了目前最主要的三种碰撞检测算法,基于包围盒方法的碰撞检测算法,基于图像空间的碰撞检测算法,基于距离场的碰撞检测算法,对它们各自的优缺点做了比较分析。最后预测了碰撞检测算法的未来发展方向。     

基于距离场和扫掠剪除算法的线缆碰撞检测技术

针对线缆具有柔性可变形特性而引起线缆碰撞检测难的问题,提出了基于距离场和扫掠剪除算法的线缆碰撞检测方法。基于距离场的碰撞检测方法主要用于检测线缆与线缆、线缆与结构件之间的碰撞：首先通过建立线缆体廓包围球,完成线缆多细节层次球面调和的表达;然后生成三维距离场映射,获取线缆或结构件表面法向量和穿刺深度等碰撞反馈信息。基于扫掠剪除算法的碰撞检测方法主要用于检测线缆的自碰撞：先构建线缆分段数学模型,然后通过线缆离散点扫掠剪除完成线缆自碰撞检测。最后对算法进行了验证,算法具有较好的准确性和快速性,可以满足工程实际的要求。     

多机器人体间动态碰撞检测方法仿真研究

当前多结合包围求碰撞检测法、Average-Case法、K-DOPs法等实现多机器人体间动态碰撞的检测,均存在寻优性能较差、检测效率较低的问题。为此提出一种基于动态粒子群的多机器人体间动态碰撞检测方法。采用OBB层次包围盒方法,缩小多机器人之间需要动态碰撞检测的区域,同时把动态碰撞检测问题转换为物体特征对间距离机制的非线性优化问题,进而构建层次拓扑框架进行局部碰撞检测,将机器人体引入到粒子群算法中建立混合进化算法,找到动态碰撞检测的最优解,实现多机器人体间动态碰撞检测。仿真结果证明,所提方法的检测效率高达96%,且具有较高的寻优性能。     

碰撞检测技术在三维交互漫游系统中的应用

针对提高交互漫游系统中动态的视点与静态的场景对象之间的碰撞检测性能进行了研究,将碰撞检测算法分成两步:第一步采用包围盒进行碰撞的粗略检测;第二步采用相交测试法进行碰撞的精确检测,并采用限时计算的思想对整个碰撞检测加以优化。实验结果表明,该算法加快了碰撞检测的速度,能较好地适应3D物体碰撞检测准确、快速的要求。     

基于Sphere-OBB的改进碰撞检测算法及其应用

静态或动态环境中两个或者多个几何模型之间的碰撞检测是计算机图形学基础问题之一,基于层次包围盒的碰撞检测算法是一种比较有效的碰撞检测算法。提出了OBB包围盒与球包围盒相结合的高效碰撞检测算法,该算法既具有OBB的包围紧密性,又具有球包围盒的测试简便性。用高效的球包围盒排除大量距离远的不相交物体,剩下距离近的物体用分离轴测试,其中一些分离轴效率更高应该优先被测试。将该算法用于虚拟针灸训练系统,实验结果表明算法减少了查询时间并增强了实时性。     

碰撞检测技术在三维交互漫游系统中的应用

针对提高交互漫游系统中动态的视点与静态的场景对象之间的碰撞检测性能进行了研究，将碰撞检测算法分成两步：第一步采用包围盒进行碰撞的粗略检测；第二步采用相交测试法进行碰撞的精确检测，并采用限时计算的思想对整个碰撞检测加以优化。实验结果表明，该算法加快了碰撞检测的速度，能较好地适应3D物体碰撞检测准确、快速的要求。     

一种改进AABB包围盒的碰撞检测算法

详细分析比较基于包围盒的碰撞检测算法中的轴向包围盒法、方向包围盒法、离散方向多面体法的检测原理和检测效率,并改进了轴向包围盒碰撞检测算法,提出利用简化包围盒边缘节点实现碰撞检测的新设想,其可行性已被初步试验证实。不仅显著提高了碰撞检测的速度,并且可以便捷地得到更为详细的碰撞检测信息,满足了进一步进行碰撞响应处理的需要。使飞行模拟机的视景系统能够实时、准确地检测出虚拟物体间的碰撞。     

基于运动参数预测的群组移动节点定位算法

针对群组移动节点定位算法普遍基于不切实际的假设,存在普适性欠佳和精度不高的问题,提出一种基于运动参数预测的群组移动节点定位算法。该算法根据群组移动节点具有相似运动的特点,运用Hermite 插值多项式预测、过滤节点运动参数。为确保定位精度,应对节点移动性带来的采样区域变化,运用预测节点运动参数构建粒子有效采样区域;为节省时间开销,基于采样粒子真实分布与其极大似然估计值之间的最大K-L(Kullback-Leibler)距离确定能够满足不同采样区域的最少粒子数目;为改善算法收敛性,运用预测运动参数创建滤波公式,并选取优质粒子参与节点位置估计。在与经典算法MCL（Monte Carlo Localization）法和加权最小二乘法的Matlab对比实验中,分析了节点移动速度、自由度、K-L距离阈值、采样方格边长对定位精度的影响。结果表明,较上述算法,本算法的定位误差和时间开销较小,无需锚节点辅助,普适性较好。     

一种优化的混合型A缓冲碰撞检测算法

在分析碰撞检测算法图像空间法与对象空间法各有优劣的基础上,以提高碰撞检测的完全性、唯一性与实时性为目标,提出一种基于图像空间法与对象空间法相结合的A缓冲碰撞检测算法。利用CULLIDE算法的实时性及AABB算法精确性相结合的优点,以A缓冲单元控制精度,可根据不同场景的需要控制A缓冲单元的尺寸。因不需要预处理,避免了不必要的重叠检测,能简单地被硬件加速,其速度比普通的方法约快8倍的速度。不仅适应于刚体与软体模型,而且能够检测自我冲突。     

碰撞检测技术研究综述

碰撞检测在图形学、仿真、动画和虚拟现实等技术中得到广泛的研究,这些研究具有十分重要的意义。文章对二维空间中多边形等面模型间相交,以及三维空间中多面体等体模型间干涉的角度对碰撞检测技术的研究和发展作了较为全面的论述,并对几种常用的碰撞检测算法进行了分析和比较,最后对碰撞检测算法的发展方向提出了几点建议。     

曲面工件超声检测中碰撞干涉的研究

在超声检测自动探伤过程中,探头可能和工件发生碰撞干涉。根据曲面工件和圆柱形探头碰撞干涉的特点,给出了一种分级碰撞干涉检测方法。首先利用包围盒算法和几何求交算法剔除大量被检对象分离的情况,然后将可能干涉的3维对象正投影到2维平面中,空间碰撞问题就转化为平面碰撞问题,只需计算投影图是否有重叠就可精确判断是否干涉。工程应用表明,该方法能满足超声检测机器人碰撞干涉检测的高效性和精确性要求,该方法也适用于装配和数控加工中复杂曲面和圆柱体之间的碰撞干涉快速检查。     

High Performance GPU‐based Proximity Queries using Distance Fields

Proximity queries such as closest point computation and collision detection have many applications in computer graphics, including computer animation, physics‐based modelling, augmented and virtual reality. We present efficient algorithms for proximity queries between a closed rigid object and an arbitrary, possibly deformable, polygonal mesh. Using graphics hardware to densely sample the distance field of the rigid object over the arbitrary mesh, we compute minimal proximity and collision response information on the graphics processing unit (GPU) using blending and depth buffering, as well as parallel reduction techniques, thus minimizing the readback bottleneck. Although limited to image‐space resolution, our algorithm provides high and steady performance when compared with other similar algorithms. Proximity queries between arbitrary meshes with hundreds of thousands of triangles and detailed distance fields of rigid objects are computed in a few milliseconds at high‐sampling resolution, even in situations with large overlap.     

结合轴对齐包围盒和空间划分的碰撞检测算法

目的 碰撞检测是虚拟现实,特别是虚拟装配中的关键技术。针对基于包围盒的碰撞检测算法的准确性和检测效率不足的问题,提出一种结合AABB轴对齐包围盒和空间划分的碰撞检测算法。方法 本文算法采用分步检测的方法,利用AABB算法来确定两包围盒的相交区域后,结合模型移动方向和运动趋势进行空间划分,利用碰撞检测的时空相关性,对时空相关的部分进行相交测试,通过将包围盒还原成三角面以及点的方式来保证检测的准确性。结果 本文算法与AABB层次包围盒二叉树算法、k-Dops包围盒算法以及BPS空间分割树算法进行对比实验分析。在碰撞的几何精度上,本文算法在大部分情况下与AABB算法和k-Dops算法的距离差超过阈值0.02,证明本文算法在碰撞几何精度上有明显的提高。在碰撞检测时耗上,随着碰撞检测难度的不断增加,本文算法在平移自由度下比AABB算法和BSP算法、在旋转自由度下比AABB算法和k-Dops算法的检测时间均降低了50%以上。在三角面数对算法碰撞检测时耗的影响上,当运动模型的三角面数较多时,本文算法表现出更高的稳定性。结论 结合AABB包围盒和空间划分方法的碰撞检测算法,在减少碰撞检测所需时间的同时提高了碰撞检测的准确性,可以满足虚拟装配技术中对碰撞检测算法准确性的要求,同时也能满足使用者实时性的交互习惯。     

Image-based techniques in a hybrid collision detector

Most collision detection methods developed so far are based on geometrical object-space interference tests. While this remains the basic mode of investigation for geometric algorithms, the requirements for interactive rates and complex geometry predominate in commercial applications. In this article, we propose a new mode of collision detection based on an image-space approach. This approach breaks the object-space collision detection bottleneck by distributing the computational load onto the hardware graphics pipeline. The image-space approach, in conjunction with efficient bounding-box strategies in the object-space, has the potential to handle complex object interactions at interactive rates.     

Repulsive force control based on distance computation algorithm

Computer-aided repulsive force control of collision avoidance is presented in this paper. A repulsive force is artificially created using the distances between the robot links and obstacles, which are generated by a simplified distance computation algorithm. This distance computation algorithm is based on the Gilbert-Johnson-Keerthi algorithm. Control gains in the repulsive force control model are selected based on traditional control design and genetic algorithms. Results on shortest distance computation and collision detection are presented. Real-time manipulator collision avoidance control has achieved. A repulsive force gain is introduced through the approaches for definition of link coordinate frames and kinematics computations. The safety distance between objects is affected by the repulsive force gain. Safety zone can be adjustable by the repulsive force gain which is selected by a specified fitness function of the genetic algorithm.     

基于动态变采样区域RRT的无人车路径规划

针对无人车传统RRT路径规划算法节点搜索盲目性、随机性以及路径曲折不连续等问题,提出一种动态变采样区域RRT路径规划算法(dynamic variable sampling area RRT, DVSA-RRT).首先,初始化地图信息,根据动态变采样区域公式划分采样空间,进而选择采样区域;在此基础上,利用基于安全距离的碰撞检测、概率目标偏置策略和多级步长扩展完成初始路径规划;最后,利用考虑最大转角约束的逆向寻优和3次B样条曲线对初始路径进行拟合优化.仿真结果表明,该算法相较于原始RRT算法在不同地图环境下的搜索时间和采样次数均降低50%以上,大大降低了节点搜索的盲目性和随机性,相较于其他算法搜索时间也减少30%以上,且优化后的路径平滑满足车辆运动动力学约束.     

Hierarchical spherical distance fields for collision detection

The problem of collision detection between objects is fundamental in many different communities including CAD, robotics, computer graphics, and computational geometry. This article presents a fast collision detection technique for all types of rigid bodies, demonstrated using polygon soups. We present two algorithms for computing a discrete spherical distance field of models. For compactly storing the distance field, we use a subsampling filter bank.     

Broadmark: A Testing Framework for Broad-Phase Collision Detection Algorithms

Research in the area of collision detection permeates most of the literature on simulations, interaction and agents planning, being commonly regarded as one of the main bottlenecks for large-scale systems. To this day, despite its importance, most subareas of collision detection lack a common ground to test and validate solutions, reference implementations and widely accepted benchmark suites. In this paper, we delve into the broad-phase of collision detection systems, providing both an open-source framework, named Broadmark, to test, compare and validate algorithms, and an in-deep analysis of the main techniques used so far to tackle the broad-phase problem. The technical challenges of building this framework from the software and hardware perspectives are also described. Within our framework, several original and state-of-the-art implementations of CPU and GPU algorithms are bundled, alongside three benchmark scenes to stress algorithms under several conditions. Furthermore, the system is designed to be easily extensible. We use our framework to bring out an extensive performance comparison among assembled solutions, detailing the current CPU and GPU state-of-the-art on a common ground. We believe that Broadmark encompasses the principal insights and tools to derive and evaluate novel algorithms, thus greatly facilitating discussion about successful broad-phase collision detection solutions.